Auf dem Weg zur Kunststoff-Elektronik

Organische Halbleiter: Die Anordnung der molekularen Bausteine kann über n-Typ oder p-Typ entscheiden

25.08.2003

Zukünftige Generationen vieler elektronischer Bauteile werden nicht mehr auf Silizium-Basis, sondern auf der Basis organischer Halbleiter konstruiert werden, die wesentlich flexibler und kleiner gestaltet werden können. Amerikanische Forscher von der Northwestern University und von den Bell Laboratories, Lucent Technologies haben jetzt eine neue Verbindungsklasse mit interessanten elektronischen Eigenschaften entwickelt, die diese "Kunststoff-Elektronik" einen wichtigen Schritt voran bringen könnte.

Elektronische Bauteile sind häufig aus mehreren elektronisch unterschiedlichen Schichten aufgebaut. Transistoren etwa bestehen als so genannte pnp- oder npn-Transistoren aus drei Schichten. Dabei bezeichnet p und n zwei gegensätzliche Materialtypen: Bei n-Typen erfolgt der Ladungstransport durch Elektronen, bei p-Typen werden "Löcher" transportiert, d.h. Stellen, an denen ein Elektron fehlt. Beide Materialtypen werden auch für die Herstellung organischer Dünnfilmtransistoren gebraucht. Das Problem: Bisher sind nur relativ wenige organische Halbleiter des n-Typus bekannt.

Tobin J. Marks und seiner Gruppe ist es nun erstmals gelungen, eine Verbindungsklasse zu entwickeln, die beides sein kann - p-Typ und n-Typ. Das Pfiffige an dem neuen Konzept: Der Typus hängt einzig und allein von der unterschiedlichen Anordnung zweier molekularer Bausteine ab.

Ausgangspunkt war ein stabförmiges Molekül aus sechs miteinander verknüpften Thiophen-Einheiten (ein Fünfring aus vier Kohlenstoffatomen und einem Schwefelatom, der zwei Doppelbindungen enthält). Zwei der Thiophene ersetzten die Forscher durch zwei Perfluoraren-Bausteine, aromatische Kohlenstoff-Sechsringe, die mit Fluoratomen abgesättigt sind. Je nachdem, welche Thiophene ersetzt werden - die beiden äußersten, die beiden zweitäußersten oder die beiden mittleren - entstehen Halbleitermaterialien, die sich deutlich in ihren kristallinen und elektronischen Eigenschaften unterscheiden. Aus den ersten beiden Verbindungen lassen sich dünne Filme mit ausgesprochen guten halbleitenden Eigenschaften herstellen. Erstaunlicherweise ergibt die erste Verbindung einen n-, Verbindung Nummer zwei einen p-Halbleiter. Die dritte Verbindung ist dagegen kein besonders effektiver Halbleiter.

"Dieses Ergebnis ist mit den bisherigen Theorien nicht vollständig erklärbar," sagt Marks. "Unsere Verbindungsklasse sollte helfen können, neue fundamentale Erkenntnisse über das Design organischer n-Halbleiter zu gewinnen - unser Team forscht intensiv daran."

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